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Vorlesung 2009 wind_3

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Vorlesung 2009 wind_3

1. 1. Regenerative Energy technique II Wind Energy Part 3 Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
2. 2. Rotor power coefficient of a resistance Drag coefficients (left) and principle of the rotor resistance (right) Fw = Resistance (N) ρ • resistance Fw = c w L (v − u)2 A ρL =Density of air (kg/m³) 2 A = considered area (m²) 4 v = Flow velocity (m/s) • maximum power coefficient c p,w = c w u = Peripheral speed (m/s) 27 cw = Drag coefficient Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
3. 3. Rotor power coefficient of a resistance Vergleich der Leistungsbeiwerte des idealen Läufers nach Betz mit verschiedenen Widerstandsläufern Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
4. 4. Flow around an airfoil FA = Buoyancy FW =Resistance FRS = resultant force αA = Angle bp = Profile width w = Flow velocity (m/s) Druckverteilung an einem aerodynamisch günstig geformten Rotorbl attprofil (links) und Luftkräfte am Profil (rechts) Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
5. 5. Lift coefficient and drag coefficient Example of a polar diagram for a simple rotor blade profile (Re = 10 ). 5 Have low speed at the outer radius of a Reynolds number of 10 5, while machine speed in the range 10 6 to 107 . w bp Re = v' Fw = Resistance (N) FA = Buoyancy (N) ρL = Density of air (kg/m³) A = considered area (m²) ρL 2 • resistance Fw = c w w A cw = Drag coefficient 2 ca = Lift coefficient ρ w = Flow velocity (m/s) FA = c a L w 2 A • buoyancy 2 bp = Profile width (m) v‘ = kinematic viscosity (m²/s) Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
6. 6. Velocity and air forces on the rotor Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
7. 7. Twisting of the rotor blade Twisting of the rotor blade at the angle ∆β Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
8. 8. Aerodynamic losses on the rotor blade uE Tip speed: Ratio of peripheral speed uE at the end of λS = the rotor to the wind speed v v Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
9. 9. Effect of lift /drag ratio Eg and the bladeno. zF to the power coefficient ca L/D : EG = cw Verhältnis von Auftriebs- beiwert zu Widerstandsbeiwert • Simple profile with less L/D have their optimum for small λS. These rotors are therefore called slow operated runner. • At low glide ratios, i.e. with simple profiles, the leaf number z F a great influence on the optimal power coefficient cp . With large numbers of sheets can achieve much higher power. • For large glide ratio E and large speed ratio λ S ,the dependence G of optimal cp- with the blade number z F is less. Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
10. 10. Influence of a non-optimal flow profile • Wird ein Rotorblatt, das sich mit konstanter Drehzahl und daher mit konstanter Umfangsgeschwindigkeit dreht, mit einer steigenden Windgeschwindigkeit beaufschlagt, dann sinkt die Schnelllaufzahl (links) • Umgekehrt steigt die Schnelllaufzahl bei sinkender Windgeschwindigkeit (rechts) Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
11. 11. Power coefficient and tip speed Power coefficients of wind rotors of various designs Leistungsbeiwert eines Schnellläufers in Abhängigkeit von der Schnelllaufzahl mit dem Blatteinstellwinkel als Parameter Die Kurven haben ein Maximum, d.h. es gibt für jeden Blatteinstellwinkel eine andere optimale Schnelllaufzahl Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
12. 12. Power coefficient and moment for slow and fast • Drehmoment Md am Rotor: P Md = (Nm) ω • Drehmomentenbeiwert cm: Md cm = 0,5ρL v 2 A 0RE cp cm = λS P = given rotor power (W) ω = Angular velocity (1/s) A0 = Rotor swept area (m²) v = Wind speed (m/s) RE = outer rotor radius (m) Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
13. 13. Torque coefficients of rotors of various designs Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
14. 14. Wind turbines with vertical axis Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
15. 15. Wind turbines after the lift and drag principles Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
16. 16. Horizontal axis converter Rotor: • rotor blades and hub form the rotor • The aerodynamic efficiency for the extraction of wind power to the lift principle stands at 50%, typical values for rotors: 42 -48% •To avoid high gear ratio and generators with t 1000 -1500 rpm to use, the rotor is designed for high speeds (30 – 50 U/min) Three-bladed rotor: • 90% of all installations • favorable mass distribution ⇒ Low Vibration dynamic problem • λs ∼ 6 – 10; i.e. not too fast and without extreme noise Two-bladed rotor: • 10% of all installation • Saving a blade • greater effort to catch the hub for higher dynamic loads • λs ∼ 8 – 14 • in MW systems eventually cheaper than three-bladed rotors Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
17. 17. Horizontal axis converter One blade rotor • Problems with dynamics • need of repair • high noise • λs ∼ 14 – 16 Rotor blades: • Fibre-reinforced plastics with glass, carbon or aramid fibers • Important parameters: specific gravity, maximum breaking stress, modulus of elasticity, tensile strength, fatigue strength • Rotor diameter: 10 – 115 Meter • Rotor area: 80 – 10.390 m² Hubs: • rigid and hingeless hub • teetering (especially for two-bladed); gimbal suspension with damping • Blow- and/or swivel joint hub; Each blades have a joint impact and can thus independently adjust to the respective forces. Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
18. 18. Horizontal axis converter Sheet adjustable • Power and speed control, Standstill mechanism • rotor blade storage at the blade root (cone-bearing and moment) • adjustment of the rotor blades are electro-mechanical or hydraulic • energy supply store (about 2% of the total cost) • Not adjusting system for feathering + mechanical brake Transmission: 50 Hz generators need about 1500 rpm With the usual speed of eg. 30-50 rpm at market-MW plant is therefore a conversion gear needed • one-or multi-stage spur or planetary gearboxes • Housing in the Gondel • Efficiency 98% per gear box • The disadvantage is the noise • Plants without transmission ; variable speed ring generator with dc Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
19. 19. Horizontal axis converter Generator: • direct interconnection with synchronous and asynchronous • Synchronous generator: constant speed, resulting in high dynamic loads in the drivetrain • asynchronous: nearly constant speed, robust + cheaper • indirect interconnection allows variable speed operation: from the Generator power generated variable voltage and frequency is first rectified a then placed in the inverter to the mains voltage and frequency Wind direction - • Optimal alignment of the rotor for implementation: • Rotation of the Gondel on ring gear and rotary drive • Control over wind meter on the gondola • Energy costs about 2% of the total Tower: • Steel or concrete • 20 – 125 Meter Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
20. 20. Acceleration control • The low speed because of blades have insufficient thrust characteristics, at the start of the installation of the blade pitch angle β must be as large as possible • Eine Auftriebskraft in Richtung der Rotorebene entsteht erst, wenn der Blatteinstellwinkel so weit vergrößert wird, daß die Strömung am Profil anliegt Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
21. 21. Volllastregelung (Pitch-Regelung) • Die Vollastregelung erfolgt durch Blattverstellung. Dabei wird der Blatteinstellwinkel β so verändert, daß der Auftriebswert des Profils kleiner wird • Would be the profile with increasing Wind speed v > vNenn in the nominal blade pitch angle βNenn the angle of attack αA bigger and thus the lift force. The power rating would be exceded. Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
22. 22. Power regulation: Pitch Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
23. 23. Leistungsregelung: Stall Bei der Stall-Regelung wird ausgenutzt, daß es bei großen Anstellwinkeln zum Strömungsabriss (engl. stall) kommt. Dadurch geht der Auftrieb weitgehend verloren. Die Leistung, die vom Wind an den Rotor abgegeben wird, lässt sich somit begrenzen. Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
24. 24. Elektrische Generatoren Der Generator wandelt die mechanische Energie der Drehbewegung des Triebstrangs in elektrische Energie um. Synchron • Synchrongeneratoren besitzen außen einen feststehenden Stator und innen einen Rotor oder Läufer, der sich auf der drehbaren Welle befindet. generator: Dem Läufer wird meistens über Schleifringe ein Gleichstrom zugeführt, der in der Läuferwicklung ein Magnetfeld aufbaut (Erregung). Wird die Welle angetrieben, erzeugt dieses umlaufende Magnetfeld im Stator eine Spannung mit einer Frequenz, die genau (synchron) der Umlaufgeschwindigkeit des Läuferdrehfeldes entspricht. • Wird ein Synchrongenerator gekoppelt mit einem stabilen Netz betrieben, wie es z.B. in Deutschland mit einer Netzfrequenz von 50 Hz der Fall ist, kann er nur mit der Drehzahl laufen, die dieses Netz vorgibt; er verhält sich dadurch drehzahlsteif. • Ein Vorteil des Synchrongenerators ist, dass er auch Blindleistung liefern kann, die zum Betrieb verschiedener Verbraucher (z.B. Motoren) benötigt wird. Synchronmaschine mit Schenkelpolläufer (zwei Pole) Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
25. 25. Elektrisches System: Asynchrongenerator Asynchron • Asynchrongeneratoren besitzen ebenfalls einen feststehenden Stator und einen drehbaren Rotor bzw. Läufer. Die Erregung, d.h. der Aufbau des generator: Läufermagnetfeldes, erfolgt jedoch anders. Beim Asynchronmotor bef indet sich im Läufer eine Wicklung, die direkt oder über einen Widerstand kurzgeschlossen ist. • Bei stehender Maschine (im Motorbetrieb) läuft das Drehfeld über den stehenden Läufer hinweg und induziert in den Leitern der Läuferwicklung eine Spannung. Hierdurch entstehen in den geschlossenen Wicklungsstäben Stabströme, die eine Tangentialkraft auf den Läufer verursachen und diesen in Bewegung setzen. Bei Motorbetrieb bewe gt sich der Läufer mit der Läuferdrehzahl n, die stets geringer ist als die Synchrondrehzahl n s, da eine Drehzahldifferenz benötigt wird, um Spannungen im Läufer zu induzieren. Die relative Differenz zwischen der Läuferdrehzahl n und der Synchrondrehzahl n s wird als Schlupf bezeichnet: n −n s= s ns Wird die Asynchronmaschine als Generator betrieben, bewegt sich der Läufer schneller als das Ständerfeld (n > ns, s < 0). • Im Gegensatz zum Synchrongenerator benötigt der Asynchrongenerator zum Betrieb stets induktiven Blindstrom. • Große Asynchrongeneratoren (> 100 kW) haben nur noch einen Schlupf von 0,5 bis 1 % und sind fast so drehzahlsteif wie Synchrongener atoren. Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
26. 26. Asynchrongenerator mit direkter Netzkopplung (I) Asynchronmaschine mit Kurzschlussläufer (Erreger) und Drehstromwicklung im Ständer (Anker) Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
27. 27. Asynchrongenerator mit direkter Netzkopplung (II) Betriebspunkte eines Asynchron- generators bei direkter Netzkopplung Betriebspunkte einer Windkraftanlage mit zwei Asynchrongeneratoren bei unterschiedlichen Drehzahlen Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
28. 28. Synchrongenerator mit direkter Netzkopplung Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
29. 29. Synchrongenerator mit Umrichter und Zwischenkreis Betriebspunkte einer drehzahl- variablen Windkraftanlage: 1: Leistungsbegrenzung durch konstante Drehzahl 2: Leistungsbegrenzung durch Umrichter Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
30. 30. ENERCON E-112 Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
31. 31. Optimale Rotordrehzahl Leistungs-Drehzahlkennfeld eines Schnellläufers Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
32. 32. Luft- und Massenkräfte am Rotor (I) Schematischer Verlauf der Tangentialkräfte und der Schubkräfte am Rotor Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
33. 33. Luft- und Massenkräfte am Rotor (II) Konuswinkel des Rotors und Kräfte Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
34. 34. Luft- und Massenkräfte am Rotor (III) Drei der am häufigsten ausgeführten Rotorbauweisen: Starrer Rotor, Schlagrotor und Pendelrotor Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik
35. 35. Schwingungsbeanspruchung Resonanzdiagramm einer Windkraftanlage (Nenndrehzahl 35 Umdr./min) Institut für Energie- und Umweltverfahrenstechnik